第9章 计算机控制系统设计汇编

第9章计算机控制系统设计9.1控制系统设计的原则与步骤9.2系统的工程设计和实现9.3某新型建材厂全自动预加水控制系统设计9.4基于单片机的智能车模型设计9.5基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器9.1控制系统设计的原则与步骤设计原则:1.安全可靠2.操作维护方便3.实时性强4.通用性好5.经济效益高系统设计的步骤

系统工程项目的研制分四个阶段：工程项目和控制任务的确定阶段；工程项目的设计阶段；离线仿真和调试阶段；在线调试和运行阶段。阶段1.工程项目和控制任务的确定阶段1）甲方一定要提供正式的书面委托书，要有明确的系统技术性能指标要求、经费、计划进度、合作方式等。2）乙方研究任务委托书3）双方对委托书进行确认性修改4）乙方初步进行系统总体方案设计5）乙方进行可行性研究目的:估计承接该项任务的把握性，并为签订合同后的设计打下基础主要内容：技术可行性；经费可行性；进度可行性6）签订合同书阶段2.工程项目的设计阶段——如下图所示1）组建设计队伍2）各成员要明确分工和相互的协调合作关系。3）系统总体方案4）方案论证与评审5）硬件和软件的分别细化设计6）硬件和软件的分别调试7）系统组装(是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。)阶段3.离线仿真和调试阶段——如图9-2所示图9-2离线仿真和调试流程图

离线仿真和调试是指在实验室而不是在工业现场进行的仿真和调试。在离线仿真和调试试验后，还要进行拷机运行，其目的是要在连续不断的运行中暴露问题和解决问题。阶段4.在线调试和运行阶段——如图9-3所示图9-3在线调试和运行流程

在线调试和运行就是将系统和生产过程联接在一起，进行现场调试和运行。系统运行正常后，再试运行一段时间，即可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙方参加，双方协同办理。验收完毕应形成文件存档。9.2系统的工程设计和实现一：系统总体方案设计1.硬件总体方案设计方法：“黑箱”设计法，即画方块图的方法。用此方法做出的系统结构设计，只需明确各方块之间的信号输入输出关系和功能要求，而不需知道“黑箱”内的具体结构。2.软件总体方案设计画出方框图，确定系统的数学模型、控制策略、控制算法。3.系统总体方案设计将上面的硬件、软件总体方案合在一起构成系统总体方案。总体方案论证可行后，要形成文件，建立总体方案文档。二：硬件的工程设计和实现1.选择系统总线和主机机型内总线：常用有PC总线和STD总线两种，一般选PC总线。外总线：指计算机与计算机、计算机与智能仪表、智能外设之间的通信的总线。主机机型的选择应根据微型计算机在控制系统中所承担的任务来确定。2.选择输入输出通道模板1）数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板；并行接口模板分：TTL电平DI/DO模板；带光电隔离的DI/DO模板2）模拟量输入输出（AI/AO）模板。包括A/D、D/A板和信号调理电路等。选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。3、选择变送器和执行机构变送器：将被测变量转换为可远传的统一标准的电信号。执行机构：电动调节阀、气动调节阀、液动调节阀三种类型，另有有触点开关、无触点开关、电磁阀等。三：软件的工程设计和实现1.划分模块

程序设计应先模块后整体。划分模块时要注意四点：一是一个模块不宜划分得太长或太短；二是力求各模块之间界线分明，逻辑上彼此独立；三是力图使模块具有通用性；四是简单任务不必模块化。2.资源的分配资源分配的主要工作是RAM的分配。3、实时控制软件设计（1）数据的采集及数据处理程序数据的采集：包括信号的采集、输入变换、存储。数据处理：包括数字滤波、标度变换、线性化、越限报警等处理。（2）控制算法程序控制算法设计要根据具体的对象、控制性能指标要求以及所选择的微型计算机对数据的处理能力来进行。（3）控制量输出程序（4）实时时钟和中断处理程序（5）数据管理程序（6）数据通信程序9.2.4系统的调试与运行1.离线仿真和调试

（1）硬件调试

（2）软件调试顺序：子程序、功能模块、主程序。系统控制程序应分为开环和闭环，开环调试是检查它的阶跃响应特性，闭环调试是检查它的反馈控制功能。整体调试：对模块之间连接关系的检查。

（3）系统仿真2.在线仿真和调试现场调试运行过程是从小到大、从易到难、从手动到自动、从简单到复杂逐步过渡。9.3某新型建材厂全自动预加水控制系统设计一：工程概述图9-4当前采用的人工经验加水二系统总体方案设计1.确定系统的控制任务

控制对象：来料以及原料的含水率的测量。主要任务要求：（1）来料参数的测量（2）来料以及原料含水率的智能控制（3）实时数据的人机界面显示（4）通过触摸屏完成人机对话，实现过程的可视化及操作人员的过程控制等2.确定系统的总体控制方案(系统的整体框如下图)图9-5系统总体框图三硬件设计1.智能控制单元PLC本系统采用西门子S7-200PLC作为智能控制单元。

2.水分测量仪CCD本项目的测量要求和使用条件确定选择数字CCD摄像头。3.传输总线选取485总线作为传感器和PLC控制单元以及触摸屏之间的传输总线。4.触摸屏、电磁阀触摸屏选用步科MT4522T10.1寸TFT触摸屏。电磁阀采用DN40电动蝶阀，4-20mA控制。系统的硬件框图如图9-6所示：四软件设计本系统的软件设计分为两部分：PLC的软件编程和触摸屏的界面设计。1.PLC的软件编程系统的软件流程图如图9-7所示

图9-7软件流程图(1)PID控制算法的PLC实现自动加水控制系统数学模型传递函数参数的确定采用目前工程上常用的方法，即对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线根据科恩-库恩(Colin-Coon)公式确定近似传递函数。Cohn-Coon公式如公式9.1所示:公式9.1为系统阶跃输入；为系统的输出响应；t0.28是对象飞升曲线为0.28时的时间；t0.632是对象飞升曲线为0.632时的时间。（2）模糊控制算法的PLC实现

图为模糊控制策略程序设计的流程图

2.触摸屏软件设计通过触摸屏的软件编程界面，实现对人机交互界面的设计。本系统中采用INTOUCH组态软件，设计和开发了触摸屏的用户界面。触摸屏操作台如图9-9所示。图9-9触摸屏操作界面五运行调试本系统已在兖州煤业股份有限公司宏力新型建材厂空心砖烧结生产线上运行，运行结果表明，该自动加水系统能够实现根据测量装置测得的来料量以及原料含水率，通过内置的模糊-PID控制算法进行运算，从而给出指令驱动执行机构完成含水率调节的功能。降低了工人劳动强度，改善了操作人员作业环境，缩短了砖坯烘干时间，保证了烘干后砖坯的干燥程度和行火速度，从而提高了成品砖质量、产量，降低了设备故障率，减少了因设备故障而导致的停工停产造成的巨大损失。9.4基于单片机的智能车模型设计一系统的总体设计方案1）系统的基本工作原理智能车的基本工作原理为：CCD图像传感器拍摄赛道图像并以PAL制式信号输出到信号处理模块进行二值化处理并进行视频同步信号分离，二值化后的数据和视频同步信号同时输入到MC9S12X128控制核心，进行进一步处理以获得图像信息；通过光电编码器来检测车速，通过外接两个计数器计数进而计算速度以实现差速；舵机转向采用PD控制算法；电机转速控制采用PID控制算法，并通过PWM脉冲控制驱动电路；通过综合控制，使智能车能够自主寻迹。2）系统设计框架智能车系统主要包括以下模块：MC9S12XS128单片机模块、CCD图像采集模块、转向舵机模块、驱动电机模块和速度检测模块。系统总体结构如图9-10所示：图9-10系统整体架构二硬件设计硬件电路主要包括：电源模块、路径识别模块、电机驱动模块、舵机转向模块、速度检测模块。以下我们将分别介绍各个模块。（1）单片机最小系统板单片机最小系统部分使用MC9S12XS128单片机，112引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到引脚引出，包括PWM接口，定时器接口，外部中断接口，若干预留普通IO接口。其他部分还包括电源滤波电路、时钟振荡电路、复位电路、BDM接口。（2）电源管理模块全部硬件电路的电源用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。a）降压稳压电路的设计我们采用的降压稳压芯片是LM2940、LM2596-5.0、lM2596-ADJ。其电路如下图所示。降压稳压电路b）升压稳压电路本设计中采用B0512LS-1W作为升压稳压芯片，该芯片外围电路简单且性能稳定，完全能够满足本设计中5到12V升压的要求。（3）路径识别模块a）传感器的选择摄像头的选取：主要有CMOS和CCD两种：CMOS摄像头体积小，耗电量小，图像稳定性较高，但成像质量差，分辨率较低，噪声较多。CCD摄像头具有对比度高、动态特性好的优点，但需要工作在12V电压下，因此，经过实验论证之后本系统中采用CCD摄像头。b）视频同步分离电路我们使用LM1881N芯片对黑白全电视信号进行视频同步分离，得到行同步、场同步信号。视频同步分离电路原理图9-12所示：图9-12视频同步分离电路原理图c)车速检测模块要使车能够快速稳定的运行，并且能很好的实现加速和减速，速度控制就是很重要的，本方案采用光电编码器作为系统的速度传感器。图9-13TLC5510的外围电路设计d）高速AD模块该设计中采用８位高速A/D转换器TLC5510进行高速AD模块的搭建。TLC5510外围电路设计如图9-13所示。e）电机驱动模块本设计中采用H桥驱动芯片33883和IRF540N来搭建H桥驱动电路。MC33886接线图如图9-14所示。图9-14MC33886接线图控制系统的框图如图：三软件设计1.系统初始化程序对于MC9S12XS128单片机来说，初始化的部分主要有以下几部分：PLL初始化，PWM模块初始化，ECT模块初始化，I/O口初始化，A/D初始化。下面我就分别介绍一下各个模块的初始化程序。1）PLL初始化S12的总线时钟是整个MCU系统的定时基准和工作同步脉冲，其频率固定为晶体频率的1/2。对于S12，可以利用时钟合成寄存器SYNR、时钟分频寄存器REFDV来改变晶振频率fOSCCLK，可以选用8MHz或16MHz外部晶体振荡器作外时钟。设计中将SYNR设为4，REFDV设为1，因此，总线时钟为40MHz，CPU工作频率80MHz。初始化程序如下：voidPLL_init(void)//设定总线时钟40MHz{DisableInterrupts;CLKSEL=0X00;PLLCTL_PLLON=1;SYNR=4;REFDV=1;while(!(CRGFLG_LOCK==1));CLKSEL_PLLSEL=1;}2）PWM初始化通过寄存器PWME来控制PWM0~PWM7的启动或关闭。为了提高精度，我们将PWM0和PWM1，构成16位的PWM通道。

级联时，2个通道的常数寄存器和计数器均连接成16位的寄存器，3个16位通道的输出分别使用通道7、3、1的输出引脚，时钟源分别由通道7、3、1的时钟选择控制位决定。级联时，通道7、3、1的引脚变成PWM输出引脚，通道6、2、0的时钟选择没有意义。通过寄存器PWMPRCLK、PWMSCLA、PWMSCLB、PWMCLK对各通道的时钟源进行设置。PWM模块的初始化设置过程如下所示：voidPWM_Init(void){PWME=0x00;PWMCTL=0x50;PWMCLK=0x00;//时钟选择寄存器PWMCLK_PCLK1=1;//1选SA时钟PWMCLK_PCLK2=1;//2选sB时钟PWMCLK_PCLK3=1;//3选sBPWMCLK_PCLK5=0;//5选A时钟PWMCLK_PCLK6=1;//6选sB时钟PWMCLK_PCLK7=1;//7选sB时钟PWMPRCLK=0x10;//预分频寄存器B2分频PWMSCLA=12;PWMSCLB=15;PWMPOL_PPOL1=1;//极性选择寄存器PWMPOL_PPOL3=1;PWMPOL_PPOL5=1;PWMPOL_PPOL7=1;PWMCAE=0x00;PWMPER01=20000;//舵机需要50hz周期20ms的基波PWMPER2=200;//右电机2khPWMPER3=200;PWMPER45=2;//作为ad转化的时钟12MPWMPER6=200;//左电机2khzPWMPER7=200;PWMDTY01=1200;//舵机初始化方向为正方向1.5ms的高电平PWMDTY2=0;PWMDTY3=100;PWMDTY45=1;//A/D转换输出方波PWMDTY6=100;//与23共同控制左右电机占空比都50%PWMDTY7=100;PWME=0xff;//打开PWM各通道输出}3）ECT模块初始化S12的ECT具有8个输入（IC）/输出(OC)比较通道，可以通过设置TIOS寄存器选择输入或输出比较功能。ECT既可以作为一个时基定时产生中断，也可以用来产生控制信号。定时器初始化程序如下：voidECT_Init(void){PACTL=0X50;//PT7PIN,16BIT,NOTINTERRUPTTCTL3=0x52;//通道6、7仅捕捉上升沿用于测速TCTL4=0x10;TIE=0x54;TIOS=0x00;//每一位对应通道的:0输入捕捉,1输出比较TSCR1=0x80;//}4）PIT模块初始化voidPIT_init(void)//周期中断初始化函数周期20ms中断设置{PITCFLMT_PITE=0;//定时中断通道1关PITCE_PCE0=1;//定时器通道使能选择：通道0、1、2、3PITMUX_PMUX0=0;PITMTLD0=20-1;PITLD0=40000-1;PITINTE_PINTE0=1;PITCFLMT_PITE=1;}5）A/D初始化高速A/D模块工作时，CPU向该模块发出启动命令，然后进行采样，A/D转换，最后将结果保存到相应的寄存器。A/D初始化不是在主程序中完成的，而是在每次采集视频信息之前完成的。所以，A/D的初始化不同前面的初始化部分，它需要在每个控制周期都初始化一次A/D初始化程序如下：。voidAD15_Init(void){ATD0CTL0=0x00;ATD0CTL1=0x00;//8位转换ATD0CTL2=0x40;ATD0CTL3=0x88;//1000_1000转换长度为一ATD0CTL4=0x19;ATD0CTL5=0x0f;//第15通道转换ATD0DIEN=0x00;}

2.驱动电机的PID控制算法图9-16PID控制算法原理图电机控制主要要求提高电机的响应速度和调速准确性，故选用PID参数时选取较大的P参数，而积分参数I对车速控制有惯性，影响反应速度，而积分参数I过大会使速度波动增加，影响车辆的稳定运行，所以选择了非常小的积分参数。

3.舵机的PID控制算法设计中舵机的控制采用了增量式PID算法，根据测试，将图象经过算法处理后得到的黑线位置和对应的舵机PID参照角度处理成一次线性关系。选择的PID调节策略是：将积分项系数置零，此时相比稳定性和精确性，舵机在这种动态随动系统中对动态响应性能要求更高。更重要的是，在Ki置零的情况下，通过合理调节Kp参数，发现车能在直线高速行驶时仍能保持车身非常稳定，没有震荡，基本没有必要使用Ki参数；微分项系数Kd则使用定值，原因是舵机在一般赛道中都需要好的动态响应能力；通过选择测试一些PID参数，从而得到较为理想的转向控制效果。四系统调试系统调试分为软件调试和硬件调试两部分。1,硬件调试：首先是对硬件电路的电源部分、传感器部分以及驱动部分进行调试，再接着就是检验电机的驱动，以及编码器的工作是否正常，最后对整体进行调试。2，软件调试：在软件设计中，根据之前的各模块的规划进行初始化设置，在编写程序前，要先对各个模块分别进行调试，并编写各部分的子程序。在每一部分程序调试通过后，对所有子程序进行整合，编写出完整的主程序，在CodeWarrior界面完成程序编译后，通过BDM工具，将程序下载到MC9S12XS128微处理器中，然后进行小车的调试。3，调试结果9.5基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器一：工程概述

本设计研制的基于DSP2812的离网型智能光伏逆变器广泛用于离网型光伏发电系统、风光互补发电系统。它采用Boost升压电路，将直流输入电压48V升压，再通过IPM模块实现全桥逆变，输出220V/50Hz的交流电。采用TI公司的高速DSPTMS320F2812作为主控芯片，实现数字控制。通过CAN现场总线或RS485与上位机进行网络通信，实现真正的智能化二：系统总体方案设计下图为逆变器原理框图

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1）采用DSP2812作为主控芯片，输出电压精度高、输出既可以是交流正弦波或也可以是方波，且具有三种工作模式：①正常工作模式，②管理员模式，③睡眠模式。这些功能可以满足各种用电设备的要求。2）采用Boost电路升压+全桥逆变的方式。由于没有变压器的存在，大大降低了逆变器的体积和重量，外形美观、体积小。3）通过CAN现场总线和/或RS485与上位机网络通信，实现智能监控。本逆变器主要由一次回路（又称主回路）和二次回路（控制回路）组成。一次回路包括Boost升压电路和全桥逆变电路，以及输入滤波电路、输出滤波电路。二次回路包括3块功能板：主控板、信号采样与处理板和人机交互板。1.主回路电路

主电路起着传输电能的作用，它采用续流电感、IGBT、快恢复二极管等构成Boost电路，将较低的直流电压升至幅值较高的稳定电压；采用功率模块IPM实现全桥逆变。本产品采用Boost电路升压的方式，无需变压